Disegnare un buco nero

Rispetto alla rappresentazione dell'intero universo cui ho dedicato diversi articoletti, rappresentare un buco nero è indubbiamente molto più semplice, avendo però sempre l'accortezza di ricordare che la forma del buco nero non è visualizzabile visto che non sappiamo praticamente nulla di questo particolare oggetto cosmico.
Dal punto di vista grafico si tende, infatti, a disegnare letteralmente un buco nel tessuto dello spazio tempo il cui bordo inferiore è nero e irraggiungibile: un modo pittorico per far comprendere come tutto cada al suo interno e nulla ne riesca a sfuggire. In effetti tale visione, se corretta, andrebbe replicata praticamente per ogni punto di una sfera arrivando così alla conclusione che un buco nero è una regione sferica di cui non conosciamo assolutamente nulla. Eppure esiste un modo più tecnico di rappresentare il buco nero ed è dovuto all'uomo che in pratica ha introdotto la topologia all'interno della fisica in generale e della relatività generale in particolare: Roger Penrose.

Le grandi domande della vita: la caduta di un astronauta in un buco nero

Non so se la ormai da più di un anno abbandonata serie de Le grandi domande della vita riprenderà con cadenza regolare, però questa settimana in ufficio è sorta esattamente la domanda: Cosa succederebbe a un astronauta che sta cadendo in un buco nero? (c'è anche la domanda su Quora!)
Non sto a spiegarvi il perché di questa domanda (lo scoprirete tra qualche mese, in effetti!), però la risposta è pronta su un piatto... di carta servita da Stephen Hawking dalle pagine del suo best seller Dal Big Bang ai buchi neri:

La gravità si indebolisce sempre più quanto più ci si allontana dalla stella, cosicché la forza gravitazionale che si esercita sui piedi del nostro intrepido astronauta sarebbe sempre maggiore di quella che si esercita sulla sua testa. La differenza fra le forze è tale da stirare il nostro astronauta come una fettuccina o da strapparlo in due o più parti prima che la stella si sia contratta fino al raggio critico a cui si forma l'orizzonte degli eventi! Noi crediamo però che nell'universo ci siano oggetti molto più grandi, come le regioni centrali di galassie, che possono subire anch'essi il collasso gravitazionale per produrre buchi neri; un astronauta che si trovasse in una di queste regioni non sarebbe lacerato prima della formazione del buco nero.
Egli non sentirebbe in effetti niente di speciale nel raggiungere il raggio critico, e potrebbe superare il punto di non ritorno senza neppure accorgersene. In capo a poche ore, però, al continuare del collasso gravitazionale della regione, la differenza nelle forze gravitazionali che si esercitano sulla sua testa e sui suoi piedi diventerebbe così grande da farlo di nuovo a pezzi.

(...)

Se un astronauta cade in un buco nero, la massa del buco nero aumenterà, ma infine l'equivalente in energia di quella massa extra sarà restituito all'universo sotto forma di radiazione. Così, in un certo senso, l'astronauta sarà «riciclato». Questo sarebbe però un tipo molto modesto di immortalità, giacché per l'astronauta qualsiasi concetto personale del tempo verrebbe quasi certamente a finire nel momento stesso in cui egli venisse fatto a pezzi dall'attrazione differenziale agente sulle varie parti del suo corpo all'interno del buco nero! Persino i tipi di particelle emessi infine dal buco nero sarebbero in generale diversi rispetto alle particelle che formavano l'astronauta: l'unico carattere dell'astronauta destinato a sopravvivere sarebbe la sua massa o energia.
Le approssimazioni da me usate per derivare l'emissione dei buchi neri dovrebbero funzionare bene quando il buco nero ha una massa di più di una frazione di grammo. Esse perderebbero invece la loro validità alla fine della vita di un buco nero, quando la sua massa diventa molto piccola. L'esito più probabile sembra essere che il buco nero sia destinato semplicemente a svanire, almeno dalla nostra regione dell'universo, portando con sé l'astronauta e la singolarità eventualmente contenuta al suo interno, se effettivamente c'è.

(...)

Il collasso di una stella a formare un buco nero è molto simile alle ultime fasi del collasso dell'intero universo. Se nella fase di contrazione dell'universo il disordine dovesse diminuire, potremmo quindi attenderci che esso diminuisca anche all'interno di un buco nero. Così, un astronauta che cadesse in un buco nero sarebbe forse in grado di vincere alla roulette ricordando in quale scomparto si trovava la pallina prima della sua puntata. (Purtroppo, però, non potrebbe giocare a lungo prima di essere trasformato in una fettuccina. Né sarebbe in grado di fornirci informazioni sull'inversione della freccia del tempo termodinamica, o neppure di versare in banca i suoi guadagni, giacché sarebbe intrappolato dietro l'orizzonte degli eventi del buco nero.)

Inflazione infinita e fine del tempo

Come saprete i dati di BICEP che sembrava dovessero confermare l'inflazione cosmica e le onde gravitazionali primordiali hanno subito una verifica negativa. Come spiegano molto bene Amedeo e Sandro, l'interpretazione dei risultati è stata completamente ribaltata dalle analisi di Planck.
Uno degli aspetti che, con quell'annuncio di metà aprile, non avevo trattato ma che mi sarebbe piaciuto era la questione dell'inflazione infinita. Questa ipotesi teorica venne introdotta da Alan Guth e altri fisici, in particolare su Eternal Inflation⁽¹⁾:

Viene riassunto il funzionamento di base dei modelli inflazionistici, insieme con gli argomenti che suggeriscono fortemente che il nostro universo è il prodotto dell'inflazione. Si sostiene che essenzialmente tutti i modelli inflazionistici portano a una (futura) inflazione eterna, che implica che un numero infinito di universi tascabili verranno prodotti. Anche se gli altri universi tascabili non sono osservabili, la loro esistenza ha comunque conseguenze per il modo in cui valutiamo le teorie ed estraiamo conseguenze da esse. E' discussa, ma non definitivamente risolta, la questione se l'universo abbia avuto un inizio. Appare probabile, tuttavia, che gli universi eternamente inflazionati richiedono un inizio.

Ci sono molte osservazioni che confermano, o che comunque si accordano sia con la teoria del Big Bang, sia con l'inflazione cosmica: in un certo istante subito dopo la prima espansione dell'universo, lo spazio tempo ha sperimentato una rapida espansione, superiore alla velocità della luce. La leggera anisotropia della radiazione cosmica di fondo (e in parte anche l'assenza del monopolo magnetico) sono prove a supporto dell'inflazione cosmica.
L'ingrediente di base dell'inflazione eterna (o infinita) è l'ipotetica esistenza di materia gravitazionalmente repulsiva, che è instabile e decade secondo una legge esponenziale. In ogni processo di decadimento, il volume di questo tipo di materia aumenta invece di diminuire e produce una serie infinita di universi tascabili^{(1, 2)}:

In Cosmology from the Top Down, un seminario presentato al Davis Inflation Meeting nel 2003, Stephen Hawking esprime alcune criticità riguardo l'ipotesi dell'inflazione infinita:

Stephen Hawking a fumetti

A fine maggio 2010 al Teatro Franco Parenti di Milano è stata messa in scena, gratuitamente, una lettura recitata di Dio e Stephen Hawking, scritto nel 2000 da Robin Hawdon, un testo che utilizzando a pretesto la vita di Stephen Hawking, propone il tema di Dio e della creazione nel XX secolo e la sfida tra questi e in particolare tra la religione e la scienza (come scrivevo nella recensione di due anni fa). Gli elementi biografici, però, avevano comunque un certo peso e alla fine usciva fuori la figura di un uomo che troppo spesso metteva la passione per la fisica davanti agli affetti, o addirittura davanti a se stesso. Infatti sono proprio la fisica e la matematica, e il suo lavoro con Roger Penrose a spingerlo ad andare avanti nonostante la malattia degenerativa dei motoneuroni diagnosticatagli nel 1963. I successi di Hawking da allora vanno avanti di pari passo con l'aumentare delle difficoltà generate dall'avanzare della malattia e dalle difficoltà nella vita privata: a leggere teatralmente la vita del fisico, come avvenuto nel 2010, si ha la sensazione di essere di fronte a una cometa che ha cercato di bruciare le tappe, di costruire qualcosa il più velocemente possibile, prima che la malattia chiedesse il suo tributo in maniera irreversibile. In questo senso, al di là di qualunque considerazione morale sulla sua figura, Hawking è un personaggio interessantissimo, il cui carattere particolare e forse anche spigoloso non può non emergere quando si considera quanto dice Jim Ottaviani:

Il 4 luglio 2012 fu un buon giorno per la fisica e per Gordy Kane, Leland e me. Non fu solo quando il bosone di Higgs venne rivelato al mondo, ma Gordy, un importante fisico e autore di The particle garden, vinse una vecchia scommessa di 100 dollari con il suo amico Stephen Hawking sul fatto che ci fosse un Higgs. E in una email inviataci per informarci riguardo queste cose, Gordy e sua moglie Lois aggiunsero anche un "Oh, a proposito..." Essi ci dissero che Stephen aveva letto e amato il nostro libro Feynman (!) e ci invitava a Cambridge per parlare riguardo un libro su di lui. Non siamo saliti su un aeroplano quello stesso pomeriggio, ma abbiamo iniziato a programmare il nostro viaggio, e questo libro. Come ho detto, un buon giorno.

Già: è stato lo stesso Hawking a chiedere a due dei più famosi cartoonist scientifici di realizzare il romanzo a fumetti sulla sua vita che la First Second Books (l'editore che ha portato Gipi negli Stati Uniti) pubblicherà nel 2016.
Per qualcuno questo può essere un atto di arroganza, ma è anche un atto di consapevolezza incredibile, sapendo perfettamente il peso mediatico della sua figura, e d'altra parte anche di grande modestia, perché questo vuol dire mettere in scena una vita complessa, ricca di soddisfazioni ma anche di cose di cui non andare proprio fieri, come la conclusione non proprio tranquilla del suo rapporto con la moglie Jane Wilde, che è coprotagonista dell'anteprima che segue.
Mentre la recensione di Feynman, scritta con Maria Angela Silleni è in attesa di pubblicazione (al momento è caricata con testo e immagini e attende l'approvazione di un qualche responsabile), gustiamoci questa anteprima diffusa da boing boing (via Hollywood Reporter):

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Attraversare la strada

Ho notato che anche le persone che affermano che tutto è già scritto e che non possiamo far nulla per cambiare il destino, si guardano intorno prima di attraversare la strada.
Stephen Hawking via gravitazero

Stephen Hawking e la fantascienza

E' iniziata la quinta stagione di Numb3rs, e visto che sono rientrato in Calabria, ho iniziato a vederla (e quindi a rivedere la televisione).
Subito dopo i due episodi di Numb3rs, ecco il secondo episodio de I maestri della fantascienza, Il risveglio, tratto da The General Zapped an Angel di Howard Fast (autore di fantascienza per me ignoto, quindi non chiedete nulla). Al di là dell'episodio, che oltre a una fantascienza alla Dick o alla Clark, propone una critica, anche abbastanza feroce, alla politica estera degli Stati Uniti.
Particolarità della serie, però, è che il narratore di ogni episodio è il grande Stephen Hawking, e ogni episodio in pratica si pone una domanda (tipo il siamo soli? di questo secondo episodio), cui l'episodio in onda cerca di dare una risposta attraverso l'adattamento di un racconto fantascientifico.
Racconto fondamentalmente ottimista sul destino dell'uomo, con gli abitanti e i potenti del pianeta che scelgono la pace dopo essere stati portati sull'orlo di una guerra mondiale dal risveglio di entità apparentemente angeliche.
Forse non il massimo per quel che riguarda una serie fantascientifica, però un buon modo per concludere una domenica sera votata alla matematica.

Alcuni link dedicati alla serie: Gamberi Fantasy, Corriere della Fantascienza, CineTV, Antonio Genna, Cosmos (con la traduzione di un articolo di Arthur McPaul), SF Site (articolo dedicato proprio a The Awakening).